基于CORS基準站的GNSS滑坡地質災害監測數據處理策略分析

劉邢巍，蔡華，蒲德祥，王斌

( 1. 重慶市地理信息和遙感應用中心, 重慶 401127；2. 自然資源部國土空間規劃監測評估預警重點實驗室, 重慶 401127 )

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)具有測站間無需通視、精度高、全天侯、自動化程度高等優點，其基線解算相對精度可達10-9量級[1]，已成為滑坡地質災害監測和預警的重要技術手段. 目前，GNSS技術在滑坡監測領域的應用主要以“1/2+N”的監測模式為主，即1個(或2個)基準站和若干個監測站[2-4]，這種監測模式需要在監測區域附近單獨建設GNSS基準站，各區域監測系統獨立運行，存在基準站選址難度大、資源不能共享、建設成本高等問題.

當前，我國各省(直轄市、自治區)測繪地理信息主管部門紛紛建立了衛星導航定位連續運行參考站(CORS)，不僅是維持區域空間基準、提供時空信息服務的核心設施，而且是導航位置服務、精密衛星定軌、地質災害監測等工程和科學研究的重要支撐[5]，且大部分基準站建在地質結構穩定的基巖上. 在大尺度地質災害監測領域，CORS基準站能夠為區域地殼運動(地面沉降)提供連續監測數據[5-7]，在小尺度滑坡地質災害變形監測領域，CORS主要提供網絡實時動態(RTK)定位服務[8-10]，而CORS基準站資源直接應用于滑坡變形監測領域的研究較少. 2020年在自然資源部印發的《地質災害專群結合監測預警技術指南(試行)》中明確指出“集中連片宜采用地基增強系統服務或自建基準站”[11]. 因此，為充分發揮利用CORS基準站資源，降低滑坡變形監測系統建設和運維成本，本文以重慶CORS系統[12]為例，基于GAMIT軟件[13]分析了以CORS基準站為監測基準時，觀測值類型、解算時長、基線長度對監測精度的影響，評估了CORS基準站直接應用于滑坡監測的可行性，為推動CORS在變形監測的深度應用提供了重要的數據支撐.

1 數據來源

考慮到CORS基準站一般建在穩固的基巖上，其相對關系極為穩定，短時間變化量極小. 為科學評定基線長度、解算時長、基線解類型對監測精度的影響，選取重慶CORS基準站數據作為數據來源，同時，考慮到重慶滑坡地質災害變形監測點部分位于樹林茂密、衛星信號觀測條件不佳的地帶，為與真實的監測環境保持一致. 如表1所示，在重慶CORS基準站中選取了5組不同長度的基線1 km、2 km、6 km、8 km、12 km作為研究對象，其中部分監測站位于樹林茂密的地帶.

表1 數據來源概況

2 解算策略分析

2.1 基線解類型分析

GAMIT軟件在進行基線解算時，提供了以下幾種基線解類型[14-15]：

1) L1_ONLY解：單頻短基線解，即在解算時只利用GPS雙頻接收機中的L1載波觀測值進行基線求解，類似于單頻GPS接收機，主要用于短基線.

2) L1L2_INDENT解：即在解算時將雙頻接收機中的L1和 L2載波觀測值作為兩種相互獨立的觀測值參與解算，主要用于短基線.

3) LC_AUTCLN解：利用GNSS雙頻接收機的消電離層組合觀測值進行基線解算，并基于碼求解寬巷模糊度，適合處理長基線.

4) LC_HELP解：基于電離層約束求解寬巷模糊度，適合處理長基線.

考慮到不同基線解類型間的差異，從相關學者前期研究結論[14-15]及GAMIT軟件說明中可知，L1L2_INDENT解(以下簡稱“L1L2解”)和LC_AUTCLN解(以下簡稱“LC解”)分別是針對短基線和長基線提供的高效基線解算類型，因此，本文主要分析以上兩種解算類型對基線解算的影響.

2.2 解算時長分析

GNSS高精度定位中，為了達到一定的精度要求，需要保證較好的觀測條件和解算時長. 觀測條件的優劣直接影響到觀測數據質量的好壞，解算時段長短則決定了數據處理過程中的多余觀測，二者是影響GNSS定位精度的重要因素. 在觀測條件一定的情況下，為了兼顧精度和效率，必須確定合理的解算時段長度. 研究表明：為了確保滑坡監測的時效性，解算時長與監測等級有關，一般為1 h、2 h、4 h、6 h，對于10 km以上的基線，本文在以上時段基礎上增加了12 h和24 h解算時長.

3 數據處理與結果分析

3.1 數據處理策略

為分析位移監測中解算時長、基線長度、監測精度三者之間的關系，本項目設計實驗基于GAMIT軟件進行解算分析. 實驗數據處理策略為：

1)采用GPS觀測值；

2)衛星軌道采用超快速星歷(預報部分)；

3)衛星截止高度角設置10°；

4) 1 km的基線(DIJI-JCDJ)不附加天頂對流層參數估計，由于2 km的基線(ROCH-JCRC)兩站高差較大(約80 m)，因此2 km以上的基線附加天頂對流層參數估計；

5)采用基線網解，將基準站的ITRF坐標固定為精確已知坐標；

6)對于基線結果不進行平差，利用間接平差得到的各時段坐標結果直接形成各監測點坐標時間序列；

7)基線解類型分別選擇LIL2解和LC解. 如表2所示，解算時長分別取1 h、2 h、4 h和6 h，即每條基線存在8種解算方案，此外，對于LIJI-BEBE長基線，考慮到基線過長，對觀測時長要求較高，額外增加了12 h和24 h解算方案.

表2 基線解算方案

3.2 監測精度評價方法

對于GNSS監測系統來說，其監測站在不同時間段或多或少存在變形，其不具備同一性的特征，不能用于評定監測精度；而其基準點一般都建在穩固的巖石上，相對關系極為穩定，不同時間段變化量極小，可以忽略，因此可用于評定監測系統的精度.

各時段基線向量的重復性反映了GNSS數據處理中基線解的內部精度，是衡量基線解算質量的一個重要指標. 這一指標對于變形監測來說特別重要，因為變形監測實質上是獲取兩期或者多期之間的相對差值，其定義為[16]

式中：ci是各時段解中基線的各分量值；σi2是相應分量的協方差；cˉ 為相應基線分量的加權平均值；R為相應的重復性.

3.3 時間序列中粗差剔除方法

采用三個標準對解算結果進行質量控制[4]：

1)標準化均方根誤差(NRMS). NRMS值是用來表示單時段解算出的基線值偏離其加權平均值的程度，是從歷元的模糊度解算中得出的殘差，作為衡量GAMIT基線解算結果的一個重要指標. 利用基線解的NRMS值評估同步質量好壞，要求其值小于0.5.

2)短基線，寬、窄巷模糊度全部固定.

3)對于觀測數據序列 {x1,x2,···,xN} ，描述該序列數據的變化特征為[4]

這樣，由N個觀測值數據可以得到N-2 個dj，同時，由dj值可以計算序列數據變化的統計均值和均方差

根據dj偏差的絕對值與均方差的比值，可獲得

當qj＞3 時，認為xj是奇異值，予以舍棄.

3.4 時間序列獲取與分析

本文針對8種不同解算方案得到的數據進行粗差剔除，得到“干凈”的去均值的時間序列(因篇幅受限，只給出2 km的時間序列，具體如圖1所示)，南北(N)方向、東西(E)方向、天頂(U)方向、基線長度(L)上的解算精度統計分析結果，如表3所示. 本文結合數據有效率，即粗差剔除后剩余有效解個數占全部解個數的比例及監測精度指標，對解算結果進行了分析，具體如下：

表3 監測精度統計表

圖1 ROCH-JCRC 8種解算方案計算得到的時間序列

1)對于長度為1～2 km的基線，解算時長設置為1～6 h時，采用L1L2解得到的數據有效率及監測精度均優于LC解，這是由于短基線兩端觀測環境相關性極強，短基線宜采用差分模式消除觀測誤差的L1L2解，而不宜采用模型改正的LC解(引入較大的觀測噪聲).

2)對于長度接近6 km的基線，在數據有效率方面，L1L2解的數據有效率整體高于LC解，當解算時長大于等于4 h時，數據有效率能夠提升至95%以上. 在監測精度方面，L1L2解監測精度均優于LC解，隨著解算時長的增加，兩種解的監測精度逐漸接近. 因此，對于6 km級別的基線，建議采用LC基線解類型，并將解算時長設置為4～6 h.

3)對于長度接近8 km的基線，在數據有效率方面，采用4 h解算時長，數據有效率可以得到90%；采用6 h解算時長，數據有效率可以達到95%；當解算時長大于4 h時，LC的解算有效率普遍高于L1L2解算有效率. 監測精度與解算時長呈現明顯正相關，即隨著解算時長的提高，監測精度明顯提升. L1L2解和LC解相差較大，主要原因是LC解各種模型均采用模型改正，在處理中長基線時優勢明顯. 可以看出，在保障數據有效性達到90%的基礎上(解算時長大于4 h)，采用LC觀測值的監測精度在N、E、U、L四個分量上均明顯優于L1L2觀測值. 因此，對于8 km級別的基線，建議采用LC基線解類型，并將解算時長設置為4～6 h.

4)對于長度接近13 km的基線，在數據有效率方面，當解算時長達到6 h時，LC解的數據有效率接近60%，高于L1L2解的數據有效率；當解算時長提高至12 h時，LC解的數據有效率有明顯提升，而L1L2解的數據有效率表現不明顯. 在監測精度方面，L1L2解和LC解相差較大，主要原因是LC解各種模型均采用模型改正，在處理中長基線優勢明顯. 可以看出，在保障數據有效性達到90%以上的基礎上(解算時長大于12 h)，采用LC觀測值的監測精度在N、E、U、L四個分量上均明顯優于L1L2觀測值. 因此，對于12 km級別的基線，建議采用LC觀測值進行處理，解算時長設置為12 h時，監測精度可以達到平面方向優于6 mm，高程方向優于15 mm的水平.

5)根據《重慶市地質災害專業監測技術要求(試行)》[17]文件對于滑坡監測的技術要求，結合以上分析，給出了CORS基準站作為滑坡監測基準時的適用性建議，如表4所示.

表4 CORS基準站在滑坡監測領域適用性建議

4 結束語

CORS基準站不僅是區域高精度時空基準的重要基礎設施，而且是導航定位服務、衛星精密定軌、地質災害監測等工程和科學研究的重要支撐. 本文瞄準滑坡變形監測對CORS基準站的需求，以重慶CORS為例，選取了5種不同長度的基線，分析了基線長度、觀測值類型、解算時長對監測精度的影響，確定了基于CORS基準站的變形監測解算策略及精度指標，給出了適用性建議，為推動CORS基準站資源在變形監測領域的應用提供了依據.